Tecnologia Presente Futuro Nano

8UNIVERSIDAD DEL VALLE

RESUMENEn las ltimas dcadas del pasado Siglo XX y en losprimeros aos de este Siglo XXI, el tema de la Nano-Tecnologa ha ido ganando cada vez ms inters, tantocognoscitivo como en el campo de sus aplicaciones.En el presente artculo, se hace una breve revisin delos conceptos fundamentales de esta novedosa tec-nologa, su importancia y sus mtodos generales detrabajo; tambin se presentan algunas consideracio-nes sobre el impacto social y econmico de la Cienciay la Tecnologa de los nanomateriales, resaltndose laimportancia del papel de la divulgacin de los logrosde esta rea de I+D+i, as como la educacin espec-fica y multidisciplinaria de nuevas generaciones decientficos y tecnlogos.

PalabrasClave: Nanociencia, Nanotecnologa, divul-gacin y formacin en Nanotecnologa

ABSTRACTIn the last decades of last XX Century and in the firstyears of this XXI Century, the topic of Nanotechnologyhas gone winning more and more interest so muchcognitive as in the field of its applications. In this paper,it is done a brief revision of the fundamental conceptsof this novel technology, its importance and its generalmethods of work; some considerations are also pre-sented on the social and economic impact of theScience and the Technology of the nanomaterialesbeing stood out the importance of the paper of the po-pularization of the achievements of this area of R&D

Artculo de Reflexin

UNA TECNOLOGA DEL PRESENTE YDEL FUTURO: NANOTECNOLOGA

TECHNOLOGY OF THE PRESENT AND

THE FUTURE: NANOTECHNOLOGY

1. Doctor en FsicaDepartamento de Electrotecnia y Sistemas, ETSI-ICAI - Universidad Pontificia

Coordinador Red NANODYF - Madrid. [email protected]

2. Doctor en Fsica. Director Instituto de Ciencias de la Construccin Eduardo Torroja (IETcc). CSIC.

Madrid. [email protected]

3. Doctor en FsicaDepartamento de Fsica Aplicada

Facultad de Ciencias - Universidad Autnoma de Madrid - Madrid. [email protected]

Pginas 7 a 13Fecha de recepcin: 15/04/2011Fecha de aprobacin: 20/05/2011

Dr. J. Tutor Snchez 1Dr. V. Velasco Rodrguez 2Dr. J. M. Martnez Duart 3

JOURNAL BOLIVIANO DE CIENCIAS VOLUMEN 8 NMERO 23 ISSN 2075-8936

9 FACULTADES DE INFORMTICA Y ELECTRNICA - TECNOLOGA - ARQUITECTURA Y TURISMO

as well as the specific and multidisciplinary educationof new generations of scientific and technologists.

KeyWords: Nanoscience, Nanotechnology, disclosureand training in Nanotechnology

INTRODUCCINDesde hace ya ms de 4 dcadas, los conceptos deNanociencia y Nanotecnologa han estado directa-mente relacionados con la creacin de materiales ti-les, dispositivos y sistemas, a travs de un control desus componentes a escala nanomtrica con el objetivode explotar las nuevas propiedades y fenmenos queemergen a dicha escala.

El desarrollo y la produccin de dispositivos y equipos,en cuyo funcionamiento resulta crucial una dimensinde menos de 100 nanmetros (1 nanmetro nm, equi-vale a 10-9 metros), permitirn obtener materiales conuna enorme precisin en su composicin y propieda-des. Estos nuevos materiales podran proporcionar es-tructuras con una resistencia sin precedentes yordenadores extraordinariamente compactos y poten-tes. Igualmente la Nanociencia y la Nanotecnologa po-dran conducir a mtodos revolucionarios defabricacin de objetos tomo por tomo y al empleo deciruga a escala celular.

Aun en la actualidad, es muy difcil establecer una dis-tincin estricta entre las investigaciones fundamenta-les, aplicadas y los desarrollos tecnolgicos en laNanociencia y la Nanotecnologa. Esto ha hecho queinternacionalmente ya es habitual englobar en el tr-mino Nanotecnologa tanto a la Ciencia como a la Tec-nologa, a escala nanomtrica.

Los orgenes de la Nanotecnologa se remontan al 29de diciembre de 1959, cuando el fsico estadounidenseRichard Feynman dio una conferencia ante la Ameri-can Physical Society del Instituto Tcnico de California(California Institute of Technology) (Caltech) tituladaHay mucho sitio en el fondo [1]. En aquella confe-rencia, el profesor Feynman trat sobre los beneficiosque supondra para la sociedad el que furamos ca-paces de manipular la sustancia y fabricar artefactoscon una precisin de unos pocos tomos, lo que co-rresponde a una dimensin de 1 nm aproximada-mente.

Sin embargo, no fue hasta 1974 cuando el profesor ja-pons Nomo Taniguchi de la Universidad de Cienciade Tokio, en un artculo titulado "On the Basic Conceptof Nanotechnology, acu el trmino Nanotecnologa,relacionado con la fabricacin de productos mediantemtodos de mecanizado. El profesor Taniguchi mostr

cmo la tendencia a aumentar la precisin de fabrica-cin estaba llevando inexorablemente al punto en que,en el ao 2000, las piezas fabricadas con un mecani-zado normal tendran una precisin de 1 m, mientrasque el mecanizado de precisin supondra una preci-sin de 10 nm y el ultrapreciso de hasta 1 nm.

A nivel internacional, el tema de la Ciencia y la Tecno-loga de las nanoestructuras es algo que ha venido cre-ciendo cada da ms [2]. Muchos pases deNorteamrica [3-4-5], Europa, Asia [6] y Amrica La-tina [7] estn llevando a cabo planes nacionales, con elfin de desarrollar ampliamente esta rea de la cienciay la tecnologa en los prximos aos. Ha quedado ex-puesto por muchos autores que las mayores aplica-ciones de la Nanotecnologa se dirigen hacia lamicroelectrnica, la informtica, las comunicaciones,la automocin, la aeronutica, la logstica militar, lasalud humana y animal, la cosmtica y el medio am-biente. Debido a que la Nanotecnologa est en todo loque nos rodea y sus efectos pueden apreciarse en pro-ductos de uso cotidiano como los ordenadores, loscosmticos, los mviles, los refrigeradores o los auto-mviles, esta rama de la Ciencia y la Tecnologa sercapaz de generar modificaciones trascendentales enlos comportamientos econmicos y sociales a escalamundial.

PORQUESIMPORTANTELANANOTECNOLO-GA?Durante la evolucin y desarrollo de la Nanotecnolo-ga, se ha podido evidenciar las respuestas al por questa nueva tecnologa es importante. Estas respues-tas se encuentran en las siguientes razones:

Una de las primeras razones est dada en que cre-ando estructuras a escala nanomtrica es posible con-trolar propiedades fundamentales de los materiales;utilizando este potencial tendremos productos y tec-nologas de altas prestaciones nunca antes alcanza-das. Esto se puede ejemplificar con propiedades talescomo la magneto-resistencia gigante o la obtencin depiezas a partir del mecanizado ultrapreciso (Figuras 1ay 1b).

En los ltimos aos, se ha comprobado que la organi-zacin de la sustancia a escala nanomtrica es la clavedel futuro de los sistemas biolgicos. La Nanotecnolo-ga permitir ubicar componentes y agrupaciones decomponentes en el interior de clulas y obtener nuevosmateriales, usando el mtodo de auto-organizacinpropio de la Naturaleza. Esta potente combinacin dela ciencia de materiales y la biotecnologa permitirprocesos e industrias completamente novedosas [8].



Otra razn por la cual la Nanotecnologa es muy im-portante est dada en el hecho de que los sistemasnanoestructurados, tales como nanopartculas, nano-hilos y nanocapas (Figura 2), tienen una altsima raznsuperficie/volumen, siendo esta razn ideal para el usoen materiales compuestos, reacciones qumicas, libe-racin controlada de medicamentos y almacenamientode energa. Uno de los recientes ejemplos ms im-pactantes de los sistemas a nanocapas, por sus pro-piedades electrnicas, trmicas y mecnicas, es elgrafeno (Figura 3). Este nanomaterial, por cuyos revo-lucionarios descubrimientos de sus propiedades fue-ron galardonados con el Premio Nobel de Fsica 2010los cientficos Andrei Geim y Konstantin Novoselov, esuna estructura laminar plana, de un tomo de grosor,compuesta por tomos de carbono densamente em-paquetados en una red cristalina, mediante enlacescovalentes que se formaran a partir de la superposi-cin de los enlaces hbridos sp de los tomos de car-bonos [9]. Debido a ese tamao de espesor laminar,del orden de las dimensiones de un tomo de carbono,el grafeno debe considerarse como una nanoestruc-tura cuasi bidimensional, denominada por las siglasQ2D (Quasi bidimensional System).

Por ltimo, debe destacarse que las nanoestructurasson sistemas tan pequeos que pueden ser usadospara construir dispositivos que contengan una mayordensidad de componentes en comparacin con los dis-positivos micromtricos; controlando las interaccionesy la complejidad de las nanoestructuras pueden lo-grarse nuevos conceptos de dispositivos electrnicos,circuitos ms pequeos y ms rpidos, funciones mssofisticadas y una gran reduccin de la potencia con-sumida.

FABRICACINYPRODUCCINDENANOMATE-RIALESDesde su surgimiento, la Nanotecnologa se caracte-riz por ser desarrollada a travs de dos mtodos ge-nerales, tanto experimental como tericamente. Estosmtodos generales estn caracterizados por la formaen que se producen, se caracterizan y se modelan losnanomateriales. Estos mtodos generales se conocenhoy en da como Nanotecnologa de Arriba a Abajo yNanotecnologa de Abajo a Arriba. Veamos una brevedescripcin de estos mtodos, en el caso particular dela fabricacin y produccin de nanomateriales:

NanotecnologadeArribaaAbajoA travs de este mtodo, se puede acercar a la preci-sin necesaria gradualmente, sobre todo mediante re-finamientos de diferentes tecnologas de fabricacin.La capacidad de controlar la precisin de fabricacin

hasta esos extremos est proporcionando muchos be-neficios -a veces inesperados- que van ms all de lacapacidad de producir un objeto con una forma muybien definida.

Los procedimientos tcnicos ms utilizados para pro-ceder de Arriba a Abajo son: el mecanizado ultrapre-ciso y las tcnicas litogrficas (fotolitografa, litografapor haces de electrones, etc.). Como elemento a des-tacar en este proceder est lo siguiente: en 1964, Gor-don Moore, de la empresa estadounidense FairchildSemiconductor Corporation, predijo que el nmero detransistores que se podran fabricar en un chip se du-plicara cada ao. Haciendo uso del procedimiento na-notecnolgico de Arriba a Abajo, la ltima tecnologaen chips comerciales, como el Pentium de Intel, ha lo-grado una anchura de lnea de unos 300 nm, con apro-ximadamente 1,5 millones de transistores en cadachip. Algunos dispositivos especializados, como loschips de memoria dinmica de acceso aleatorio(DRAM) que pueden almacenar hasta 64 millones debits de informacin, tienen ms de 64 millones de tran-sistores. En los primeros aos del siglo XXI, las an-churas de lnea mnimas de los chips comercialesdisminuyeron hasta 100 200 nm en componentescomo los chips de DRAM, que podran almacenar msde 1.000 millones de bits.

NanotecnologadeAbajoaArribaEl concepto de construir un artefacto manipulando ma-teria a escala nanomtrica y ensamblando objetostomo a tomo o molcula a molcula (el llamado en-foque de Abajo a Arriba de la Nanotecnologa) se plan-te por primera vez en la ya citada conferencia deFeynman en 1959. A lo largo de los ltimos 15 aos,este mtodo general ha sido popularizado por EricDrexler, ex director del Foresight Institute de Palo Alto,California. Drexler ha descrito estructuras molecularesde escala nanomtrica movilizadas en gran nmero -miles de millones- como robots programables paramontar cualquier cosa. De esta forma se han sugeridomltiples aplicaciones para estos nano-robots, que in-cluso podran introducirse en el cuerpo humano paradetectar y reparar daos en las clulas.

Es altamente conocido que la tecnologa de Microsco-pia de Fuerza Atmica (AFM) se emplea para obtenerimgenes a escala atmica de variadas estructurasmateriales. Sin embargo, esta tecnologa tambinpuede emplearse para recoger y reemplazar tomosen una superficie o empujarlos de un lado a otro, apli-cando impulsos elctricos. Ejemplo de esto ha sido laobtencin de los llamados Fullerenos (Figura 4).



Otra rea de trabajo de esta tecnologa de Abajo aArriba es la fabricacin de materiales en los que algu-nos componentes se estructuran deliberadamentepara que estn en la zona nanomtrica. Estos mate-riales se denominan Materiales de Nanofase. Ejemplode estos tipo de materiales nanoestructurados son lasheteroestructuras semiconductoras nanomtricas queconsisten en uniones de diferentes compuestos semi-conductores obtenidos por mtodos, ya tan conocidos,como la Epitaxia por Haces Moleculares (MBE), la De-posicin Qumica de Vapores Metalorgnicos(MOCVD), la Deposicin de Vapores Qumicos (CVD)y la Epitaxia por Haces Qumicos (CBE) (Figura 5). Losespesores de las capas semiconductoras que provo-can nuevos y trascendentes efectos son de entre al-gunas decenas de nanmetros hasta cientos de ellos.

El campo de los materiales de Nanofase se ha am-pliado hasta incluir el estudio de las propiedades elec-trnicas y pticas de los polvos ultrafinos. Se sabe que,desde la poca de los romanos, se podan obtener vi-drios con un profundo color rub dispersando en l par-tculas ultrafinas de oro. Estas partculas puedenalcanzar un tamao de hasta unos 100 nm. En la ac-tualidad, cientficos y tecnlogos estudian las propie-dades pticas de una amplia gama de materiales,especialmente semiconductores, en forma de polvosultrafinos con fines bioinformticos, de salud y en cos-metologa.

INFLUENCIAECONMICAYSOCIALDELANA-NOTECNOLOGALos nuevos conceptos de la Nanotecnologa son tanamplios y penetrantes que se espera que influyan entodas las reas de la Ciencia y la Tecnologa en for-mas que hoy an son impredecibles. Hoy en da slose conoce una pequea parte de todas las posibilida-des que esta nueva tecnologa puede aportar (Figura6); es por ello que tanto esfuerzo hay que llevar ade-lante en la Investigacin, el Desarrollo y las futuras In-novaciones.

Desde el punto de vista econmico, se ve cmo -hoyen da- los materiales reforzados con nanopartculasestn influyendo considerablemente en la Industria Au-tomotriz y Aeronutica; la fabricacin de pozos cunti-cos, superredes, alambres cunticos y puntoscunticos, as como nuevos dispositivos producidos apartir de estos objetos, estn revolucionando la Elec-trnica y las Comunicaciones; la obtencin de nuevosmedicamentos nanoestructurados, nuevos estudiosgenticos y sistemas de liberacin controlada de fr-macos dan lugar a nuevas concepciones en la obten-cin de productos farmacuticos, en la salud humana

y animal y, en general, en las ciencias de la vida. Laconfeccin de membranas selectivas, en forma detrampas nanomtricas para eliminar contaminantes,permitir realizar una contribucin, muy favorable, alcuidado y proteccin del Medio Ambiente. Y tambinnuevos detectores de agentes qumicos y biolgicos,recubrimientos nanoestructurados fuertes y materialesde camuflaje, obtenidos a partir de nanomateriales,darn un vuelco a las concepciones de la Defensa.

Las metas de las investigaciones en Nanotecnologason tan fundamentales, tan interdisciplinarias y de tanalto riesgo para lograr un liderazgo industrial, que hanconllevado a un marcado inters de industriales y em-presarios a nivel internacional. Eso s sin descartar quemuchas de ellas slo se lograrn a largo plazo. El im-pacto socio-econmico de la Nanotecnologa sermucho mayor que el de los circuitos integrados de si-licio debido a que su influencia abarca un mayor n-mero de campos [10].

Existen dos aspectos de carcter social que permitirnla lgica continuidad y los xitos propios de la Nano-tecnologa. stos son: 1.- la labor del rea de las Ciencias Sociales y 2.- la labor del sector Educacional.

Es sabido que el avance nanotecnolgico a nivel mun-dial es cada vez ms trascendente. El gasto global enNanociencia y Nanotecnologa en 2009 se estima enunos 17,6 mil millones de dlares. Sin embargo, ycomo fue recientemente comentado en el Editorial dela Revista MundoNano de la Universidad Nacional Au-tnoma de Mxico .se percibe todava un fuerte es-tancamiento en el estmulo al dilogo social (sobre laNanotecnologa) que debe incluir, por supuesto, unfuerte trabajo de informar al pblico.. [11].

Los especialistas dedicados al tema de la relacinCiencia Sociedad debern velar por cmo se conducey cmo se desarrolla la Nanotecnologa. Cmo se lo-grar esto? Pues ayudando a los tomadores de deci-siones (policymakers) a decidir de forma consciente ycoherente qu reas debern ser priorizadas y cmo fi-nanciarlas para obtener los mejores resultados en elfuturo, dando a conocer a las grandes masas cmoest avanzando la Nanotecnologa, conociendo cmoestn diseminndose los avances de la Nanotecnolo-ga y, por ltimo, sabiendo cmo proponer la correc-cin del curso del desarrollo de la Nanotecnologa,cuando sea necesario. Para esto, los especialistas de-bern identificar, prever e investigar el grado variable dela aceptacin social a las nuevas tecnologas, teniendoen cuenta indicadores de medida de la aceptacin de la



Nanotecnologa en sectores tales como: la economa,la poltica, la religin y la cultura.

Otro aspecto trascendente es la Labor Educacional. Laformacin bsica y especializada de recursos huma-nos es tambin de tremenda importancia para el futurode la Ciencia y la Tecnologa del campo de las nano-estructuras. La creacin de recursos humanos multi-disciplinarios que trabajen en este campo es unaabsoluta necesidad. Si se quiere obtener ventajas deeste revolucionario y excitante campo, las personasdeben comenzar a pensar en formas verdaderamenteno convencionales. Pero an ms, el hecho real deque en un futuro no muy lejano nuevos equipos e ins-trumentos comercializados tengan sus bases en la Na-notecnologa hace que sus usuarios deban conocer elprincipio de su funcionamiento y las bases de susconstrucciones, lo que dar lugar a una cultura ele-mental generalizada en las grandes masas acerca deesta rea de la Ciencia y la Tecnologa contempor-nea: como hoy es de conocimiento general el funcio-namiento de una buja elctrica para el alumbrado,maana deber ser de conocimiento general el fun-cionamiento de un puntero lser construido gracias alos xitos alcanzados en el campo de la optoelectr-nica de las nanoestructuras semiconductores.

De cara a dar respuestas a estos dos ltimos aspectos,la divulgacin y la formacin en Iberoamrica, recien-temente ha sido aprobada una Red Temtica Iberoa-mericana, la Red Jos Roberto Leite de Divulgaciny Formacin en Nanotecnologa, del Programa Ibero-americano de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo(CYTED). Entre otros objetivos, esta red se proponeidentificar cul es la situacin actual de las actividadesdivulgativas y formativas a distintos niveles en Nano-tecnologa en la regin iberoamericana.

CONCLUSIONESPodramos resumir que no es sorprendente que la Na-notecnologa pueda ser considerada como la Tecnolo-ga Fundamental del Siglo XXI, una Tecnologa delPresente y del Futuro, que provocar sin duda, y estprovocando ya, una Nueva Revolucin en los camposdel pensamiento, de la economa y de la sociedad atal punto que se requerir de todo el esfuerzo de cien-tficos, tecnlogos, polticos, economistas, profesoresy maestros para conducir de forma armnica y conse-cuente los logros de una nueva tecnologa que nospodr brindar una mejor calidad de vida, si se sabe uti-lizar adecuadamente.

ReconocimientoEste artculo ha sido escrito en el marco de las accio-nes de divulgacin y formacin de la Red Temtica611rt0435 Jos Roberto Leite de Divulgacin y For-macin en Nanotecnologa correspondiente al rea 6de Ciencia y Sociedad del Programa Iberoamericanode Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo, CYTED.

REFERENCIASBIBLIOGRFICAS

1. FEYNMAN, Richard. Caltech Engineering andScience. Volume 23:5. February 1960.

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7. TUTOR, J. y VELASCO, V. Nanoestructuras Semi-conductoras: un futuro estratgico para Iberoamrica.Revista Espaola de Fsica V. 16. No. 4. 2002.

8. WELLAND, M. NanoTecnology. V. 13. No. 1.2001.

9. TUTOR, J. Grafeno: Sueo o realidad de la Nano-tecnologa. Anales de Mecnica y Electricidad. Revistade la Asociacin de Ingenieros del ICAI. Vol. LXXXVII.Fascculo V. Septiembre-Octubre. 2010

10. ROCCO, M.C. y BAINBRIDGE, W. S. Editors. So-cietal Implications of NanoScience and NanoTecno-logy. NSET Workshop Report. National ScienceFoundation. USA. March 2001. Arlington. Virginia.

11. TAKEUCHI TAN, N. y DELGADO RAMOS, G. C.Revista Interdisciplinaria en NanoCiencia y NanoTec-nologa. Editorial Mundonano. Vol. 3. No. 1 Enero-Junio 2010



Figura1a)

NANOESTRUCTURA CON COMPORTAMIENTOMAGNETORRESISTIVOGIGANTE:CARACTERS-TICADELAMAGNETORRESISTENCIAVERSUSIN-TENSIDADDECAMPOMAGNTICO

Fuente: Elaboracin propia a base de bibliografa con-sultada, 2011

Figura1b)

FABRICACINDEBROCASAPARTIRDEMATE-RIALESNANOCOMPUESTOS(ARRIBA)ENCOM-PARACIN CON LA FABRICACIN USANDOMATERIALES CONVENCIONALES Y TCNICASCONVENCIONALES(ABAJO).


Figura2

ESTRUCTURAS NANOMTRICAS DE DIFEREN-TESTAMAOS

Fuente: Elaboracin propia, 2010-2011

Figura3

(a)SIMULACINDECAPASDEGRAFENO(b)GRAFENOREAL,IMAGENDEMICROSCOPAELECTRNICADETRANSMISIN(TEM)




Figura4

IMAGENDEMICROSCOPADEFUERZAATMICA(AFM)DEC60


Figura5

EQUIPO DE EPITAXIA POR HACES QUMICOS(CBE)

Fuente: Elaboracin propia, 2002

Figura6

ESQUEMADELESTADOACTUALDELASPOSI-BILIDADESDELANANOTECNOLOGAYSUSFU-TURASOPORTUNIDADES

Fuente: Elaboracin propia, 2010-2011

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